Cecilia Payne-Gaposchkin

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Cecilia Helena Payne-Gaposchkin era un'astronoma e astrofisica britannica naturalizzata americana che propose nella sua tesi di dottorato del 1925 che le stelle erano composte principalmente da idrogeno ed elio. La sua conclusione rivoluzionaria fu inizialmente rifiutata perché contraddiceva la saggezza scientifica dell'epoca, che sosteneva che non esistevano significative differenze elementari tra il Sole e la Terra. Osservazioni indipendenti hanno infine provato che aveva ragione.

Primi anni di vita

Cecilia Helena Payne era una dei tre figli nati a Wendover nel Buckinghamshire, Inghilterra, da Emma Leonora Helena nata Pertz e Edward John Payne, un avvocato di Londra, storico e musicista che era stato un fellowship di Oxford. Sua madre proveniva da una famiglia prussiana e aveva due zii distinti, lo storico Georg Heinrich Pertz e lo scrittore swedenborghiano James John Garth Wilkinson; sua sorella Florence era una pianista. Il padre di Cecilia Payne morì quando lei aveva quattro anni, costringendo sua madre a crescere la famiglia da sola.

Cecilia Payne iniziò la scuola a Wendover presso una scuola privata gestita da Elizabeth Edwards. Quando aveva dodici anni sua madre si trasferì a Londra per l'educazione del fratello di Cecilia Humfry, che in seguito divenne archeologo. Cecilia frequentò il St Mary's College, Paddington, dove non riuscì a studiare molto matematica o scienze, ma nel 1918 cambiò scuola per il St Paul's Girls' School. Lì fu incoraggiata da Gustav Holst, che insegnava musica nella scuola, a perseguire una carriera musicale, ma preferiva concentrarsi sulla scienza. L'anno seguente vinse una borsa di studio che copriva tutte le spese al Newnham College, Cambridge University, dove inizialmente studiò botanica, fisica e chimica ma abbandonò la botanica dopo il primo anno. Il suo interesse per l'astronomia iniziò dopo aver assistito a una conferenza di Arthur Eddington sulla sua spedizione del 1919 nell'isola di Príncipe nel Golfo di Guinea al largo della costa occidentale dell'Africa per osservare e fotografare le stelle vicino a un'eclissi solare come test della teoria della relatività generale di Albert Einstein. Ha detto della conferenza: "Il risultato è stata una trasformazione completa della mia visione del mondo. Il mio mondo era stato così scosso che ho provato qualcosa di molto simile a un esaurimento nervoso." Ha completato i suoi studi, ma non le è stato assegnato un diploma a causa del suo sesso; Cambridge non concesse diplomi alle donne fino al 1948.

Payne si rese conto che la sua unica opzione di carriera nel Regno Unito era diventare insegnante, quindi cercò borse di studio che le permettessero di trasferirsi negli Stati Uniti. Dopo essere stata presentata a Harlow Shapley, Direttore del Harvard College Observatory, dove aveva appena istituito un programma di studi specialistici in astronomia, partì dall'Inghilterra nel 1923. Questo fu reso possibile da una borsa di studio per incoraggiare le donne a studiare presso l'osservatorio. Adelaide Ames era diventata la prima studentessa della borsa di studio nel 1922; Payne era la seconda.

Tesi di dottorato

Shapley persuase Payne a scrivere una dissertazione di dottorato, e così nel 1925 divenne la prima persona a conseguire un PhD in astronomia dal Radcliffe College dell'Harvard University. Il titolo della sua tesi era Stellar Atmospheres; A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars.

Payne riuscì a correlare accuratamente le classi spettrali delle stelle alle loro temperature reali applicando la teoria dell'ionizzazione sviluppata dal fisico indiano Meghnad Saha. Ha dimostrato che la grande variazione nelle linee di assorbimento stellare era dovuta a quantità diverse di ionizzazione a temperature diverse, non a quantità diverse di elementi. Ha scoperto che silicio, carbonio e altri metalli comuni visti nello spettro del Sole erano presenti in circa le stesse quantità relative che sulla Terra, in accordo con la credenza accettata dell'epoca, che sosteneva che le stelle avevano circa la stessa composizione elementare della Terra. Tuttavia, ha scoperto che elio e in particolare idrogeno erano vastamente più abbondanti per l'idrogeno, di un fattore di circa un milione. La sua tesi concludeva che l'idrogeno era il costituente preponderante delle stelle vedasi Metallicità, rendendolo l'elemento più abbondante nell'Universo.

Tuttavia, quando la dissertazione di Payne fu revisionata, l'astronomo Henry Norris Russell, che sosteneva le teorie del fisico americano Henry Rowland, la dissuase dal concludere che la composizione del Sole era principalmente idrogeno perché contraddirebbe il consenso scientifico attuale che la composizione elementare del Sole e della Terra erano simili. Nel 1914, aveva scritto in un articolo accademico:

L'accordo tra gli elenchi solari e terrestri è tale da confermare molto fortemente l'opinione di Rowland che, se la crosta terrestre fosse riscaldata alla temperatura dell'atmosfera solare, darebbe uno spettro di assorbimento molto simile. Gli spettri del Sole e di altre stelle erano simili, quindi sembrava che l'abbondanza relativa di elementi nell'universo fosse simile a quella della crosta terrestre.

L'accordo tra gli elenchi solari e terrestri è tale da confermare molto fortemente l'opinione di Rowland che, se la crosta terrestre fosse riscaldata alla temperatura dell'atmosfera solare, darebbe uno spettro di assorbimento molto simile. Gli spettri del Sole e di altre stelle erano simili, quindi sembrava che l'abbondanza relativa di elementi nell'universo fosse simile a quella della crosta terrestre.

Payne di conseguenza descrisse i suoi risultati come "spuri". Alcuni anni dopo, l'astronomo Otto Struve descrisse il suo lavoro come "la più brillante tesi di dottorato mai scritta in astronomia". Russell si rese conto anche che aveva ragione quando derivò gli stessi risultati con mezzi diversi. Nel 1929, pubblicò i suoi risultati in un articolo che riconosceva ammiratamente il lavoro precedente di Payne e la scoperta; tuttavia, gli viene spesso attribuito il merito delle conclusioni che ha raggiunto.

Carriera

Dopo il dottorato, Payne ha studiato stelle di alta luminosità per comprendere la struttura della Via Lattea. In seguito ha indagato tutte le stelle più luminose della decima magnitudine. Ha poi studiato stelle variabili, facendo più di 1.250.000 osservazioni con i suoi assistenti. Questo lavoro è stato poi esteso alle Nubi di Magellano, aggiungendo altri 2.000.000 osservazioni di stelle variabili. Questi dati sono stati utilizzati per determinare i percorsi dell'evoluzione stellare. Ha pubblicato le sue conclusioni nel suo secondo libro, The Stars of High Luminosity 1930. Le sue osservazioni e analisi di stelle variabili, condotte con suo marito, Sergei Gaposchkin, hanno gettato le basi per tutto il lavoro successivo su tali oggetti.

Payne-Gaposchkin rimase scientificamente attiva per tutta la vita, trascorrendo l'intera carriera accademica ad Harvard. Quando iniziò, le donne erano escluse dal diventare professori ad Harvard, quindi passò anni facendo lavori di ricerca meno prestigiosi e mal pagati. Tuttavia, il suo lavoro ha portato a diversi libri pubblicati, tra cui The Stars of High Luminosity 1930, Variable Stars 1938 e Variable Stars and Galactic Structure 1954. Shapley aveva fatto sforzi per migliorare la sua posizione, e nel 1938 le fu dato il titolo di "Astronomer." Su richiesta di Payne, il suo titolo fu successivamente cambiato a Phillips Astronomer. È stata eletta Fellow dell'American Academy of Arts and Sciences nel 1943. I suoi corsi non sono stati registrati nel catalogo della Harvard University fino al 1945.

Quando Donald Menzel divenne Direttore del Harvard College Observatory nel 1954, cercò di migliorare il suo incarico, e nel 1956 divenne la prima donna ad essere promossa a professore ordinario dal interno della facoltà della Faculty of Arts and Sciences di Harvard. In seguito, con il suo incarico alla Cattedra del Dipartimento di Astronomia, divenne anche la prima donna a dirigere un dipartimento ad Harvard.

I suoi studenti includevano Helen Sawyer Hogg, Joseph Ashbrook, Frank Drake, Harlan Smith e Paul W. Hodge, tutti i quali hanno dato importanti contributi all'astronomia. Ha anche supervisionato Frank Kameny, che è diventato un importante sostenitore dei diritti dei gay.

Payne-Gaposchkin si ritirò dall'insegnamento attivo nel 1966 e fu successivamente nominata Professoressa Emerita di Harvard. Ha continuato la sua ricerca come membro dello staff dello Smithsonian Astrophysical Observatory, nonché curando i giornali e i libri pubblicati dal Harvard Observatory per vent'anni.

Eredità

La carriera di Payne ha segnato un punto di svolta al Harvard College Observatory. Sotto la direzione di Harlow Shapley e della Dott.ssa E. J. Sheridan che Payne-Gaposchkin descrisse come una mentore, l'osservatorio aveva già offerto più opportunità in astronomia alle donne rispetto ad altre istituzioni, e importanti realizzazioni erano state raggiunte all'inizio del secolo da Williamina Fleming, Antonia Maury, Annie Jump Cannon e Henrietta Swan Leavitt. Tuttavia, con il PhD di Payne, le donne entrarono nel mainstream.

Il percorso che ha tracciato nella comunità scientifica in gran parte dominata dagli uomini è stato un'ispirazione per molti. Ad esempio, è diventata un modello per l'astrofisica Joan Feynman. La madre e la nonna di Feynman l'avevano scoraggiata dal perseguire la scienza, poiché credevano che le donne non fossero fisicamente capaci di comprendere i concetti scientifici. Feynman è stata successivamente ispirata da Payne-Gaposchkin quando si è imbattuta in alcune delle sue opere in un libro di testo di astronomia. Vedere la ricerca di Payne-Gaposchkin pubblicata in questo modo ha convinto Feynman che poteva, in effetti, seguire le sue passioni scientifiche.

Mentre accettava il Henry Norris Russell Prize dall'American Astronomical Society, Payne ha parlato della sua passione di tutta la vita per la ricerca: "La ricompensa dello scienziato giovane è l'emozione di essere la prima persona nella storia del mondo a vedere qualcosa o comprendere qualcosa. Niente può essere paragonato a quell'esperienza. La ricompensa dello scienziato anziano è il senso di aver visto uno schizzo vago trasformarsi in un paesaggio magistrale."

Vita personale

Nella sua autobiografia, Payne racconta che mentre era a scuola creò un esperimento sull'efficacia della preghiera dividendo i suoi esami in due gruppi, pregando per il successo solo su uno, l'altro essendo un gruppo di controllo. Ha ottenuto i voti più alti nel gruppo di controllo. In seguito, divenne agnostica.

Nel 1931, Payne divenne cittadina americana. In un tour attraverso l'Europa nel 1933, incontrò l'astrofisico di origine russa Sergei I. Gaposchkin in Germania. Lo aiutò a ottenere un visto per gli Stati Uniti, e si sposarono nel marzo 1934, stabilendosi nella storica città di Lexington, nel Massachusetts, a poca distanza da Harvard. Payne aggiunse il cognome di suo marito al suo, e i Payne-Gaposchkin ebbero tre figli: Edward, Katherine e Peter. La figlia di Payne la ricorda come "una sarta ispirata, una maglia inventiva e una lettrice vorace". Payne e la sua famiglia erano membri della First Unitarian Church a Lexington, dove Cecilia insegnava la scuola domenicale. Era anche attiva con i Quaccheri. Morì a casa sua a Cambridge, nel Massachusetts, il 7 dicembre 1979. Poco prima della sua morte, Payne aveva la sua autobiografia stampata privatamente come The Dyer's Hand. Fu successivamente ristampato come Cecilia Payne-Gaposchkin: An Autobiography and Other Recollections.

Il fratello minore di Payne, Humfry Payne 1902–1936, che sposò l'autore e critico cinematografico Dilys Powell, divenne direttore della British School of Archaeology ad Atene. La nipote di Payne Cecilia Gaposchkin è una professoressa di storia culturale medievale tardiva e storia francese al Dartmouth College.

Onori e premi

• Membro eletto della Royal Astronomical Society mentre era ancora studente a Cambridge 1923
• Annie J. Cannon Award in Astronomy 1934 – primo destinatario
• Membro dell'American Philosophical Society 1936
• Membro dell'American Academy of Arts and Sciences 1943
• Award of Merit da Radcliffe College 1952
• Rittenhouse Medal dalla Rittenhouse Astronomical Society al Franklin Institute 1961
• Professor Emerita dell'Harvard University 1967
• Henry Norris Russell Lectureship dell'American Astronomical Society 1976
• The American Physical Society's Doctoral Dissertation Award in Astrophysics rinominato Cecilia Payne-Gaposchkin Doctoral Dissertation Award in Astrophysics 2018
• Dottorati onorari da Rutgers University, Wilson College, Smith College, Western College, Colby College e Women's Medical College of Pennsylvania
• L'asteroide 2039 Payne-Gaposchkin è stato chiamato con il suo nome
• Il vulcano Payne-Gaposchkin Patera su Venere è stato chiamato con il suo nome.
• Uno dei telescopi ASAS-SN dispiegati in Sud Africa è stato chiamato con il suo nome.
• Institute of Physics Cecilia Payne-Gaposchkin Medal and Prize nominata in suo onore nel 2008.

Bibliografia selezionata

Libri accademici pubblicati:

• The Stars of High Luminosity 1930
• Variable Stars 1938
• Variable Stars and Galactic Structure 1954
• Introduction to Astronomy 1954
• The Galactic Novae 1957

Articoli di ricerca significativi:

• —— 1936, "On the Physical Condition of the Supernovae", Proceedings of the National Academy of Sciences, 22 6: 332–6, Bibcode:1936PNAS...22..332P, doi:10.1073/pnas.22.6.332, JSTOR 86556, PMC 1076773, PMID 16588077
• Whipple, F. L.; —— 1936, "On the Bright Line Spectrum of Nova Herculis", Proceedings of the National Academy of Sciences, 22 4: 195–200, Bibcode:1936PNAS...22..195W, doi:10.1073/pnas